张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1641 (a) (b) Network modifier Network modifier Graphite Fe Graphite Graphite Fe Graphite Charge Bridge compensated oxygen Bridge oxygen compensated ions Non-bridge oxygen ions SiO,-AL,O,-Cao SiO,-AL,O,-FeO Basal model,2000 K Prism model,2000 K 2000Ka U ps 10 ps 20ps30ps100s500ps1000s2000p5 Fe;C 2000KF Fe.C 0 ps 10ps20pm50ps:100ps500ps1000ps2000ps (c) Oxidation mechanism Thermal dependence 700 600 500 400 300 5 Region 200 100 RegionⅢ Graphene 4000 4200 4400 4600 4800 5000 88 Temperature/K 图9()高温炉渣微观结构单元模型图和铁液熔体微观结构图网：(b)铁碳交互作用模型图和铁碳界面润湿行为模型图吼：(c)碳的微观氧化反应 过程机理图阿 Fig.9 (a)Microstructure of the blast furnace slag and liquid iron!;(b)interaction model between iron and carbon and the wetting behavior between liquid iron and graphene (c)mechanism diagram of the carbon microscopic oxidation process 铁液微观结构以及性质变化规律，发现高温铁 8.3化学反应微观机理 液中存在FeC、Fe,C、esC、Fe,C四种微观结构 碳质材料在高温条件下往往会发生一系列的 单元叫 反应，例如热解、气化等，碳质材料的结构会发生 82熔体-焦炭界面交互作用行为 明显变化.Li等7利用反应力场对碳质材料燃烧 炉缸铁水渗碳对高炉长寿具有重要的作用， 和碳的气化过程进行了深入研究，如图9(c)所示 弄清铁水与焦炭的微观交互作用行为，对提高高 在燃烧研究中发现，在氧化开始的时间内存在异 炉冶炼效率具有重要意义.Jiang等1利用反应分 常的热行为，在成核生长机理和反应动力学方面 子动力学方法研究了铁水渗碳微观过程，对比分 存在明显差异，进一步提高了对碳在原子尺度上 析了不同温度下石墨不同晶体取向与铁水反应的 氧化的认识.在气化研究中发现，在中间(4200~ 过程机理，如图9(b)所示.结果发现，石墨上碳原 4400K)温度区观察到异常的热解行为，由于形成 子可以分别以单原子碳、双原子碳链和三原子碳 了相对稳定的中间结构，中间温度区域的气化速 链的形式从石墨中剥离并扩散到铁水中，且高温 率大大降低.发现石墨化程度较高的碳质材料中 可以有效促进渗碳反应的发生.为了进一步明晰 单空位缺陷的存在只会在温度较低的情况下会促 铁水与石墨接触初始过程的变化规律，Jiang等 进反应动力学，在高温条件下的影响反而很小！ 利用微观模拟的方法探究了铁-石墨界面润湿行 9国内外低碳炼铁发展近况 为，如图9(b)所示.结果发现碳质材料不同接触面 与铁水的润湿角存在明显差异，石墨平面对铁水 91富氢高炉的探索与实践 呈现良好的润湿性，而石墨棱柱面对铁水则呈现 2020年8月，德国迪林根和萨尔钢铁投资 疏水性. 1400万欧元，在高炉中喷吹富氢焦炉煤气，未来该铁液微观结构以及性质变化规律，发现高温铁 液中存在 Fe3C、Fe4C、Fe5C、Fe6C 四种微观结构 单元[94] . 8.2    熔体−焦炭界面交互作用行为 炉缸铁水渗碳对高炉长寿具有重要的作用， 弄清铁水与焦炭的微观交互作用行为，对提高高 炉冶炼效率具有重要意义. Jiang 等[95] 利用反应分 子动力学方法研究了铁水渗碳微观过程，对比分 析了不同温度下石墨不同晶体取向与铁水反应的 过程机理，如图 9（b）所示. 结果发现，石墨上碳原 子可以分别以单原子碳、双原子碳链和三原子碳 链的形式从石墨中剥离并扩散到铁水中，且高温 可以有效促进渗碳反应的发生. 为了进一步明晰 铁水与石墨接触初始过程的变化规律，Jiang 等[96] 利用微观模拟的方法探究了铁−石墨界面润湿行 为，如图 9（b）所示. 结果发现碳质材料不同接触面 与铁水的润湿角存在明显差异，石墨平面对铁水 呈现良好的润湿性，而石墨棱柱面对铁水则呈现 疏水性. 8.3    化学反应微观机理 碳质材料在高温条件下往往会发生一系列的 反应，例如热解、气化等，碳质材料的结构会发生 明显变化. Li 等[97] 利用反应力场对碳质材料燃烧 和碳的气化过程进行了深入研究，如图 9（c）所示. 在燃烧研究中发现，在氧化开始的时间内存在异 常的热行为，在成核生长机理和反应动力学方面 存在明显差异，进一步提高了对碳在原子尺度上 氧化的认识. 在气化研究中发现，在中间（4200～ 4400 K）温度区观察到异常的热解行为，由于形成 了相对稳定的中间结构，中间温度区域的气化速 率大大降低. 发现石墨化程度较高的碳质材料中， 单空位缺陷的存在只会在温度较低的情况下会促 进反应动力学，在高温条件下的影响反而很小[98] . 9    国内外低碳炼铁发展近况 9.1    富氢高炉的探索与实践 2020 年 8 月 ，德国迪林根和萨尔钢铁投 资 1400 万欧元，在高炉中喷吹富氢焦炉煤气，未来该 Network modifier Network modifier Bridge oxygen Bridge oxygen Non-bridge oxygen Charge compensated ions SiO2 -Al2O3 -CaO SiO2 -Al2O3 -FeO Charge compensated ions Fe3C Fe4C Fe5C Fe6C (a) Graphite Graphite Fe Basal model, 2000 K Graphite Graphite Fe Prism model, 2000 K 2000 K Fe Graphite Fe Graphite 0 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps 500 ps 1000 ps 2000 ps 0 ps 10 ps 20 ps 50 ps 100 ps 500 ps 1000 ps 2000 ps 2000 K (b) 700 600 500 Region Ⅰ Region Ⅱ Region Ⅲ Thermal dependence 400 300 200 100 0 4000 4200 4400 Temperature/K Onset time/ps 4600 4800 5000 Oxidation mechanism Graphene O2 (c) 图 9    （a）高温炉渣微观结构单元模型图和铁液熔体微观结构图[88] ；（b）铁碳交互作用模型图和铁碳界面润湿行为模型图[95] ；（c）碳的微观氧化反应 过程机理图[97] Fig.9    (a) Microstructure of the blast furnace slag and liquid iron[88] ; (b) interaction model between iron and carbon and the wetting behavior between liquid iron and graphene[95] ; (c) mechanism diagram of the carbon microscopic oxidation process[97] 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1641 ·